JP6035330B2 - Non-natural equilibrium supply system for injection molding equipment - Google Patents
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Description
本発明は、射出成形のための装置及び方法に関し、より具体的には、低一定圧力で射出成形部品を生成するための装置及び方法に関する。 The present invention relates to an apparatus and method for injection molding, and more particularly to an apparatus and method for producing injection molded parts at a low constant pressure.
射出成形は、溶融可能材料で作成された部品、最も一般的には熱可塑性高分子で作成された部品の大量生産に一般に使用される技術である。反復射出成形プロセス中、プラスチック樹脂(ほとんどの場合、小さなビーズ又はペレットの形)が、熱、圧力、及び剪断力をかけた状態で樹脂ビーズを溶融させる射出成形機に導入される。融樹脂は、特定のキャビティ状を有する金型キャビティに強制的に注入される。射出されたプラスチックが成形型キャビティ中の圧力下で保持され、冷却され、次いで成形型のキャビティ形状を本質的に複製した形状を有する固化した部品として取り出される。成形型自体が、単一のキャビティ又は複数のキャビティを有してもよい。各キャビティは、溶融樹脂の流れをキャビティ内に導くゲートによって流路に接続されることがある。成形部品は、1つ以上のゲートを有してもよい。高分子が成形部品を充填するために移動しなければならない流動距離を減少させるために、大きな部品は、通常、2つ、3つ、又はそれ以上のゲートを有する。1つのキャビティ当たり1つのゲート又は複数のゲートは、部品形状上の任意の場所に位置してもよく、例えば、基本的に円形であるか、又は1.1以上の縦横比で形成される任意の断面形状を有してもよい。したがって、典型的な射出成形手順は、(1)射出成形機内でプラスチックを加熱し、それを圧力下で流し、(2)閉じられた2つの金型半体の間に画定された金型キャビティ内に溶融プラスチックを注入し、(3)圧力をかけた状態でプラスチックをキャビティ内で冷却し硬化させ、(4)金型半体を開いて部品を金型から取り出す、4つの基本操作を含む。 Injection molding is a technique commonly used for mass production of parts made of meltable materials, most commonly parts made of thermoplastic polymers. During the repeated injection molding process, a plastic resin (mostly in the form of small beads or pellets) is introduced into an injection molding machine that melts the resin beads under the application of heat, pressure, and shear. The molten resin is forcibly injected into a mold cavity having a specific cavity shape. The injected plastic is held under pressure in the mold cavity, cooled, and then removed as a solidified part having a shape essentially replicating the mold cavity shape. The mold itself may have a single cavity or multiple cavities. Each cavity may be connected to the flow path by a gate that guides the flow of molten resin into the cavity. The molded part may have one or more gates. Large parts typically have two, three, or more gates to reduce the flow distance that the polymer must travel to fill the molded part. One gate or multiple gates per cavity may be located anywhere on the part shape, for example, any one that is essentially circular or formed with an aspect ratio of 1.1 or greater It may have a cross-sectional shape. Thus, a typical injection molding procedure consists of (1) heating a plastic in an injection molding machine and flowing it under pressure, and (2) a mold cavity defined between two closed mold halves. Injecting molten plastic into the inside, (3) Cooling and hardening the plastic in the cavity under pressure, (4) Opening the mold half and removing the part from the mold, including four basic operations .
溶融プラスチック樹脂は、金型キャビティに注入され、プラスチック樹脂は、プラスチック樹脂がゲートから最も遠いキャビティ内の位置に達するまで、射出成形機によってキャビティに押し込まれる。これにより得られる部品の長さ及び肉厚は、金型キャビティの形状の結果である。 Molten plastic resin is injected into the mold cavity and the plastic resin is pushed into the cavity by an injection molding machine until the plastic resin reaches a position in the cavity furthest from the gate. The length and wall thickness of the part thus obtained is a result of the shape of the mold cavity.
最終部品のプラスチック含有量、ひいては、費用を低減させるために、射出成形部品の肉厚を低減させることが望ましくあり得るが、従来の射出成形プロセスを用いて肉厚を低減させることは、特に15、10、3、及び1.0ミリメートル未満の肉厚に合わせて設計するときに、高価であり、簡単でない作業であり得る。液体プラスチック樹脂が、従来の射出成形法で射出金型に導入されたとき、キャビティの壁と隣り合った材料は、直ちに「凝固」又は固化し硬化し始める。材料が金型内を流れるとき、金型の側面に対して材料の境界層が形成される。金型が満杯であり続けるとき、境界層は厚くなり続け、その結果、材料が流れる経路が閉じて、更なる材料が金型に流れ込むのが妨げられる。金型の壁上のプラスチック樹脂の凝固は、金型が冷却されたときに悪化し、各部品のサイクルタイムを短縮し、機械処理量を高める技術が使用された。 Although it may be desirable to reduce the wall thickness of the injection molded part to reduce the plastic content of the final part, and hence the cost, it is particularly important to reduce the wall thickness using conventional injection molding processes. When designing for wall thicknesses of less than 10, 3, and 1.0 millimeters, it can be an expensive and not easy task. When liquid plastic resin is introduced into the injection mold by conventional injection molding methods, the material adjacent to the cavity walls immediately begins to “solidify” or solidify and harden. As the material flows through the mold, a boundary layer of material is formed on the sides of the mold. As the mold continues to be full, the boundary layer continues to thicken, thereby closing the path through which the material flows and preventing further material from flowing into the mold. The solidification of the plastic resin on the mold wall worsened when the mold was cooled, and techniques were used to reduce the cycle time of each part and increase the machine throughput.
また、液体プラスチック樹脂が最も厚い肉厚を有する領域から最も薄い肉厚を有する領域に流れるように、部品とそれに対応する金型とを設計する要望もある。金型の特定領域の厚さを厚くすると、強度及び厚さが必要な領域に十分な材料が流れ込むことが保証される。この「厚い部分から薄い部分へ」の流路の必要性は、プラスチックの使用を非効率的にし、その結果、材料が不要な場所で追加材料を部品に成形しなければならなくなるので、射出成形部品メーカーの部品コストが高くなる。 There is also a need to design parts and corresponding molds so that the liquid plastic resin flows from the thickest region to the thinnest region. Increasing the thickness of a particular area of the mold ensures that sufficient material flows into the area where strength and thickness are required. The need for this “thick to thin” flow path makes the use of plastic inefficient, and as a result, additional material must be molded into parts where material is not needed, so injection molding The parts cost of the parts manufacturer increases.
部品の肉厚を薄くする1つの方法は、金型に導入されるときに液体プラスチック樹脂の圧力を高めることである。圧力を高めることによって、成形機は、流路が閉じるまで液体材料を金型に注入し続けることができる。しかしながら、圧力を高めると、コストと能力の両方が低下しやすい。構成要素を成形するのに必要とされる圧力が高くなるので、成形機は、追加圧力に耐えられるほど十分に頑強でなければならず、一般に高価になる。メーカーは、高い圧力に適応するために新しい設備を購入しなければならないことがある。したがって、所定の部品の肉厚を薄くすると、従来の射出成形技術によって製造する資本経費がかなり増えることになる。 One way to reduce the thickness of the part is to increase the pressure of the liquid plastic resin when it is introduced into the mold. By increasing the pressure, the molding machine can continue to inject liquid material into the mold until the flow path is closed. However, increasing pressure tends to reduce both cost and capacity. As the pressure required to mold the components increases, the molding machine must be robust enough to withstand the additional pressure and is generally expensive. Manufacturers may have to purchase new equipment to accommodate high pressures. Therefore, reducing the wall thickness of a given part significantly increases the capital costs produced by conventional injection molding techniques.
更に、液体塑性材料が射出金型に流れ込んで急速に凍結するとき、高分子鎖は、高分子が液体形態であったときに存在した高度の応力を維持する。凍結高分子は、分子配向が部品内に固定されるとき、より高レベルの流動誘起配向を保持し、凍結応力状態をもたらす。このような「残留成形」応力は、後に続く成形をゆがめるか、又はくぼませ、低い機械的性質を有し、化学物質暴露に低い耐性を有する部品を製造する原因となることがある。低い機械的性質は、特に、薄壁管、一体蝶番部品、及びクロージャなどの射出成形部品の制御及び/又は最小化に重要である。 Furthermore, when the liquid plastic material flows into the injection mold and freezes rapidly, the polymer chain maintains the high degree of stress that was present when the polymer was in liquid form. The frozen polymer retains a higher level of flow-induced orientation when the molecular orientation is fixed in the part, resulting in a frozen stress state. Such “residual molding” stress can distort or dent subsequent molding, causing the production of parts with low mechanical properties and low resistance to chemical exposure. Low mechanical properties are particularly important for the control and / or minimization of injection molded parts such as thin walled tubes, integral hinge parts, and closures.
上記の欠点のいくつかを回避するために、多くの従来の射出成形操作は、塑性材料の金型キャビティへの流動を改善するために、ずり減粘塑性材料を使用する。ずり減粘塑性材料が金型キャビティに注入されると、塑性材料と金型キャビティ壁との間に生成される剪断力は、塑性材料の粘度を低減する傾向があり、それにより、塑性材料を金型キャビティ中へとより自由かつ容易に流動させる。結果として、金型が完全に充填される前に、材料が凍結することを防止するのに十分速く、薄壁部品を充填することが可能である。 To avoid some of the above disadvantages, many conventional injection molding operations use shear-thinning plastic materials to improve the flow of plastic materials into the mold cavities. When shear-thinning plastic material is injected into the mold cavity, the shear force generated between the plastic material and the mold cavity wall tends to reduce the viscosity of the plastic material, thereby causing the plastic material to Flow more freely and easily into the mold cavity. As a result, it is possible to fill thin wall parts fast enough to prevent the material from freezing before the mold is completely filled.
粘度の低減は、塑性材料と供給システムとの間、及び塑性材料と金型キャビティ壁との間に生成される剪断力の大きさに直接関係する。したがって、これらのずり減粘材料の製造業者ら及び射出成形システムの操作者らは、剪断力を増加させ、したがって粘度を低減するために、より高く射出成形圧力を駆動してきた。典型的には、射出成形システムは、103.4MPa(15,000psi)以上の溶融圧力で、塑性材料を金型キャビティに注入する。ずり減粘塑性材料の製造業者らは、最小溶融圧力より上で、塑性材料を金型キャビティに注入するように、射出成形操作者らに教示する。例えば、ポリプロピレン樹脂は、典型的には、41.4MPa(6,000psi)を上回る圧力で処理される(ポリプロピレン樹脂製造業者らの推奨範囲は、典型的には、41.4MPaを上回り、約103.4MPaを下回る(6,000psi〜約15,000psi))。樹脂製造業者らは、範囲の上限を超えることを推奨しない。プレス機械製造業者ら及び加工技術者らは典型的には、塑性材料から最大の減粘及びより良好な流動特性を引き出すために、典型的には103.4MPa(15,000psi)を超える、可能な最大ずり減粘を達成するために、範囲の上限で、又はそれより有意に高く、ずり減粘高分子を処理することを推奨する。ずり減粘熱可塑性高分子は概して、41.4MPa超〜約206.8MPa(6,000psi〜約30,000psi)の範囲で処理される。 The reduction in viscosity is directly related to the magnitude of the shear force generated between the plastic material and the delivery system and between the plastic material and the mold cavity wall. Therefore, manufacturers of these shear thinning materials and operators of injection molding systems have driven injection molding pressures higher to increase shear forces and thus reduce viscosity. Typically, an injection molding system injects a plastic material into a mold cavity at a melt pressure of 103.4 MPa (15,000 psi) or higher. Manufacturers of shear-thinning plastic materials teach injection molding operators to inject plastic material into the mold cavity above the minimum melt pressure. For example, polypropylene resins are typically processed at pressures above 41.4 MPa (6,000 psi) (polypropylene resin manufacturers' recommended range is typically above 41.4 MPa, about 103 Less than 4 MPa (6,000 psi to about 15,000 psi)). Resin manufacturers do not recommend exceeding the upper limit of the range. Press machine manufacturers and processing engineers typically typically exceed 103.4 MPa (15,000 psi) to derive maximum thinning and better flow properties from plastic materials In order to achieve maximum shear thinning, it is recommended to treat shear thinning polymers at the upper end of the range or significantly higher. The shear-thinning thermoplastic polymer is generally processed in the range of greater than 41.4 MPa to about 206.8 MPa (6,000 psi to about 30,000 psi).
射出成形機で使用される金型は、これらの高い溶融圧力に耐えることができなければならない。更に、金型を形成する材料は、金型がその寿命の間に実行することが予測されるサイクルの総数に対して、最大周期ストレスに耐えることができる疲労限度を有しなければならない。結果として、典型的には、金型製造業者らは、典型的には30Rcを超える、より典型的には50Rcを超える、高硬度を有する材料から、金型を形成する。これらの高硬度材料は、プラスチック射出プロセス中に金型構成要素が互いに押し付けられた状態を保持するために必要とされる、高い締付圧に耐えるように耐久性があり、装備されている。これらの高硬度材料はまた、成形表面と高分子流動との間の反復接触からの摩耗により良好に耐えることが可能である。 Molds used in injection molding machines must be able to withstand these high melt pressures. Furthermore, the material forming the mold must have a fatigue limit that can withstand the maximum cyclic stress for the total number of cycles that the mold is expected to perform during its lifetime. As a result, mold manufacturers typically form molds from materials with high hardness, typically greater than 30 Rc, more typically greater than 50 Rc. These hard materials are durable and equipped to withstand the high clamping pressures required to keep the mold components pressed against each other during the plastic injection process. These high hardness materials can also better withstand wear from repeated contact between the molding surface and the polymer flow.
薄壁消費者製品を生産する高生産射出成形機(つまり、クラス101及びクラス102成型機)はもっぱら、高硬度材料から作製される金型の大部分を有する金型を使用する。高生産射出成形機は典型的には、1年あたり500,000サイクル以上を生成する。産業品質生産金型は、1年あたり少なくとも500,000サイクル、好ましくは1年あたり1,000,000サイクル超、より好ましくは1年あたり5,000,000サイクル超、更により好ましくは1年あたり10,000,000サイクル超に耐えるように設計されなければならない。これらの機械は、生産率を上げるために、複数のキャビティ金型及び複雑な冷却システムを有する。高硬度材料は、より低い硬度の材料よりも、反復される高圧力締付操作に耐えることが可能である。しかしながら、ほとんどの工具鋼等の高硬度材料は、概して34.6W/(m*K)(20BTU/HR FT °F)未満の比較的熱伝導率を有し、それは、熱が高硬度材料を通して溶融プラスチック材料から伝達される際に、長い冷却時間をもたらす。
High production injection molding machines that produce thin wall consumer products (ie, class 101 and
サイクル時間を低減するために、高硬度材料から作製される金型を有する典型的な高生産射出成形機は、金型内で冷却流体を循環させる、比較的複雑な内部冷却システムを含む。これらの冷却システムは、成形部品の冷却を加速し、したがって、機械が所与の時間でより多くのサイクルを完了させることを可能にし、それは、生産率、したがって、生産される成形部品の総量を増加させる。1年あたり100又は200万サイクルを超えるいくつかのクラス101において、これらの金型は、「超高生産性金型」と称されることもある。400トン以上のプレス機内で作動するクラス101金型は、業界内で「400クラス」金型と称されることもある。 To reduce cycle time, a typical high production injection molding machine with a mold made from a hard material includes a relatively complex internal cooling system that circulates a cooling fluid within the mold. These cooling systems accelerate the cooling of the molded parts, thus allowing the machine to complete more cycles in a given time, which reduces the production rate and thus the total amount of molded parts produced. increase. In some classes 101 that exceed 100 or 2 million cycles per year, these molds may be referred to as “ultra-high productivity molds”. Class 101 molds that operate in presses of 400 tons or more are sometimes referred to in the industry as “400 class” molds.
金型に対して高硬度材料を使用する別の欠点は、工具鋼等の高硬度材料が概して、機械加工することが極めて困難であることである。結果として、既知のハイスループット射出成形金型は、形成のために長い機械加工時間及び高価な機械加工設備、並びに応力を緩和し、材料の硬度を最適化するために高価かつ時間のかかる機械加工後工程を必要とする。 Another disadvantage of using high hardness materials for the mold is that high hardness materials such as tool steel are generally very difficult to machine. As a result, known high-throughput injection molds have long machining times and expensive machining equipment for forming, as well as expensive and time-consuming machining to relieve stress and optimize material hardness A post process is required.
図面に示された実施形態は、本質上実例及び例示的なものであり、「特許請求の範囲」によって定義された内容を制限するものではない。例示的な実施形態の以下の詳細は、以下の図面と共に読むと理解することができ、図面中、同様の構造は同様の参照番号により示される。
本発明の実施形態は概して、射出成形によって製品を生産するシステム、機械、製品、及び方法に関し、より具体的には、低一定圧力射出成形によって製品を生産するシステム、製品、及び方法に関する。 Embodiments of the present invention generally relate to systems, machines, products, and methods for producing products by injection molding, and more specifically to systems, products, and methods for producing products by low constant pressure injection molding.
熱可塑性材料の溶融圧力に関して本明細書で使用される用語「低圧力」は、約41.4MPa(6000psi)以下の射出成形機のノズル付近の溶融圧力を意味する。 The term “low pressure” as used herein with respect to the melt pressure of a thermoplastic material means a melt pressure near the nozzle of an injection molding machine of about 41.4 MPa (6000 psi) or less.
熱可塑性材料の溶融圧力に関して本明細書で使用される用語「実質的に一定の圧力」は、ベースライン溶融圧力からの偏差が熱可塑性材料の物理的特性の有意な変化をもたらさないことを意味する。例えば、「実質的に一定の圧力」は、溶融した熱可塑性材料の粘度が有意に変化しない圧力変化を含むがこれに限定されない。この観点における「実質的に一定」という用語は、ベースライン溶融圧力から最大約30%の偏差を含む。例えば、用語「約31.7MPa(4600psi)の実質的に一定の圧力」は、約41.4MPa(6000psi)(31.7MPa(4600psi)を30%上回る)〜約22.1MPa(3200psi)(31.7MPa(4600psi)を30%下回る)の範囲内の圧力変動を含む。溶融圧力は、溶融圧力が記述された圧力からわずか30%変動する限り、実質的に一定であると考慮される。 The term “substantially constant pressure” as used herein with respect to the melt pressure of a thermoplastic material means that deviation from the baseline melt pressure does not result in a significant change in the physical properties of the thermoplastic material. To do. For example, “substantially constant pressure” includes, but is not limited to, pressure changes that do not significantly change the viscosity of the molten thermoplastic material. The term “substantially constant” in this regard includes a deviation of up to about 30% from the baseline melt pressure. For example, the term “substantially constant pressure of about 31.7 MPa (4600 psi)” ranges from about 41.4 MPa (6000 psi) (30% over 31.7 MPa (4600 psi)) to about 22.1 MPa (3200 psi) (31 Pressure fluctuations in the range of .7 MPa (4600 psi) 30% below). The melt pressure is considered to be substantially constant as long as the melt pressure varies by only 30% from the stated pressure.
充填バランスは、射出金型システムにわたって動的に分配されるため、所与のプラスチックの流動バランスを定義するために使用される用語である。プラスチック分配システムは、ホット又はコールドランナシステム、並びにキャビティを包含する。射出金型システムは、自然平衡、人工平衡、又は非平衡射出金型システムであり得る。 Fill balance is the term used to define the flow balance of a given plastic because it is dynamically distributed across the injection mold system. The plastic dispensing system includes a hot or cold runner system, as well as a cavity. The injection mold system can be a natural, artificial, or non-equilibrium injection mold system.
充填バランスは、キャビティ間の重量差によって測定され、ホット又はコールドランナシステムの性能を示す。ここで、良好に機能するランナシステムは、高分子がどの程度均一にそれぞれの個々のキャビティを充填するかによって測定され、完璧なランナシステムは、それぞれのキャビティを全く同一の時点で充填するものとする。従来の射出成形においては、流動をそれぞれのキャビティに対して平衡化させることが重要であり、さもなければ、部品間の変動が大きい場合があり、プロセス能力が達成可能でない場合がある。許容できる流動バランスを有する金型は、金型内のあらゆるキャビティにわたる部品重量の変動、寸法変動、及び縮小率を低減させる。 Fill balance is measured by the weight difference between cavities and indicates the performance of a hot or cold runner system. Here, a well-runner runner system is measured by how uniformly the polymer fills each individual cavity, and a perfect runner system is one that fills each cavity at exactly the same time. To do. In conventional injection molding, it is important to balance the flow with respect to the respective cavities, otherwise variations between parts may be large and process capability may not be achievable. Molds with an acceptable flow balance reduce part weight variation, dimensional variation, and shrinkage across any cavity in the mold.
インバランスのレベルは、金型内のすべてのキャビティの平均重量に対して測定された金型内のすべての個々の部品の重量の比較に基づく。充填する第1のキャビティが100%の充填に達するときに測定が行われ、射出プロセスが停止し、相互に対する重量の範囲を比較するためにすべての部品が秤量される。キャビティ間のインバランスは、平均部品重量に対して計算される。以下の式は、この方法を用いてインバランスを計算するための計算式を示す。
The level of imbalance is based on a comparison of the weight of all individual parts in the mold measured against the average weight of all cavities in the mold. Measurements are taken when the first cavity to fill
許容できる充填バランスは、すべての部品重量が、概して、典型的には、平均の±10%、より望ましくは±5%、かつ理想的には±1%以内である充填バランスである。 An acceptable filling balance is one in which all part weights are typically typically within ± 10% of the average, more desirably ± 5%, and ideally within ± 1%.
ホットランナ設計は、従来のロバスト射出成形プロセス及び金型設計にとって重要な要素である。質の低いホットランナ設計は、過度の部品欠陥及び更なる部品コストにつながり得る。従来の成形プロセスを用いて自然平衡を達成するために、材料は、機械ノズルからそれぞれのゲートまで同一のランナ形状を通らなければならない。これは、同一の流動距離だけでなく、流路に沿った同一の内径及び同一の回転数も意味する。これらの平衡ホットランナシステムの設計は、典型的には、共通の設計原理に基づく:1)ホットランナシステムにわたる圧力低下が、好ましくは、41.4MPa(6,000psi)未満であり、2)好ましくは、ホットランナシステム内に含有される溶融プラスチック材料の体積がすべての金型キャビティの合計内に含有される体積の3倍を超えず、かつ3)ホットランナ流動ブランチの形状が、溶融プラスチックのデッドスポット、又は溶融プラスチックが捕捉されてシステムを流れることができない領域を除去するように最適化される。これらの原理は、規定の圧力低下要件を達成するために、多くの場合、特大の内径をもたらし、この圧力制限のため、所望され得るよりも高い比率のランナ体積対部品体積につながり得る。 Hot runner design is an important factor for conventional robust injection molding processes and mold design. A poor quality hot runner design can lead to excessive component defects and additional component costs. In order to achieve natural equilibrium using conventional molding processes, the material must pass through the same runner shape from the machine nozzle to each gate. This means not only the same flow distance, but also the same inner diameter and the same number of revolutions along the flow path. The design of these balanced hot runner systems is typically based on common design principles: 1) The pressure drop across the hot runner system is preferably less than 41.4 MPa (6,000 psi) and 2) preferably The volume of molten plastic material contained in the hot runner system does not exceed 3 times the volume contained in the sum of all mold cavities, and 3) the shape of the hot runner flow branch is Optimized to remove dead spots or areas where molten plastic is trapped and cannot flow through the system. These principles often result in oversized inner diameters to achieve a defined pressure drop requirement, and this pressure limitation can lead to a higher ratio of runner volume to part volume than may be desired.
一定の圧力射出成形は、ホットランナシステムが従来の射出成形よりも実質的に低い圧力で充填されることを可能にし、41.4MPa(6000psi)未満の圧力低下を達成しながら、ホットランナシステムにわたるより小さく、かつより一貫性のある内径の使用を可能にする。例えば、機械ノズル圧力が約68.9MPa(10,000psi)未満、又は更により好ましくは、約41.4MPa(6,000psi)未満である低圧成形の場合、約20.7MPa(3,000psi)未満、又はより好ましくは、13.8MPa(2,000psi)未満、又は更により好ましくは、約6.89MPa(1,000psi)未満のマニホールドにわたる圧力低下の達成を可能にする。これは、実質的により低い比率のランナ体積対金型キャビティ体積を達成する能力を可能にし、ランナブランチ直径の交点でより少ない材料デッドスポットを提供し、流動バランスの改善を可能にする。更に、ランナ体積が低下すると、所望の処理温度で溶融高分子を維持するためにランナシステム内で少しの熱のみを必要とする。人工及び自然平衡供給システムの場合、一定の圧力処理は、材料の粘度差が、材料バッチ変動、溶融温度変動、又は金型温度変動の結果として導入されるときでさえ、90%又は更にはそれ以上、好ましくは、95%以上の金型バランス等の非常に良好な充填バランスを維持する。内径を考慮するとき、任意の断面積及び対応する断面形状のチャネルを用いて、ランナチャネルを形成することができることが理解される。しかしながら、円筒形のランナチャネルは、チャネル製造の簡便性を促進し、かつ溶融高分子への摩擦力を最小限に抑えるために一般に使用される。 Constant pressure injection molding allows the hot runner system to be filled at substantially lower pressures than conventional injection molding, and achieves a pressure drop of less than 41.4 MPa (6000 psi) while spanning the hot runner system. Allows the use of smaller and more consistent inner diameters. For example, for low pressure molding where the machine nozzle pressure is less than about 68.9 MPa (10,000 psi), or even more preferably less than about 41.4 MPa (6,000 psi), less than about 20.7 MPa (3,000 psi) Or, more preferably, to achieve a pressure drop across the manifold of less than 13.8 MPa (2,000 psi), or even more preferably less than about 6.89 MPa (1,000 psi). This allows the ability to achieve a substantially lower ratio of runner volume to mold cavity volume, provides fewer material dead spots at runner branch diameter intersections, and allows improved flow balance. Furthermore, as the runner volume decreases, only a small amount of heat is required in the runner system to maintain the molten polymer at the desired processing temperature. In the case of artificial and natural equilibrium feeding systems, a constant pressure treatment is 90% or even higher, even when material viscosity differences are introduced as a result of material batch variations, melt temperature variations, or mold temperature variations. As described above, preferably, a very good filling balance such as a mold balance of 95% or more is maintained. When considering the inner diameter, it is understood that runner channels can be formed using channels of any cross-sectional area and corresponding cross-sectional shape. However, cylindrical runner channels are commonly used to facilitate channel manufacturing simplicity and to minimize frictional forces on the molten polymer.
詳細に図面を参照すると、図1は、大量に薄壁部品を生産するための例示の低一定圧力射出成型装置10(例えば、クラス101若しくは102射出金型、又は「超高生産性金型」)を示す。射出成型装置10は、一般に、射出システム12と締付システム14とを含む。熱可塑性材料は、熱可塑性ペレット16の形態で射出システム12に導入されてもよい。熱可塑性ペレット16は、ホッパ18に入れられてもよく、ホッパ18は、熱可塑性ペレット16を射出システム12の加熱バレル20に供給する。熱可塑性ペレット16は、加熱バレル20に供給された後、往復スクリュ22によって加熱バレル20の端部まで動かされてもよい。往復スクリュ22による加熱バレル20の加熱及び熱可塑性ペレット16の圧縮によって、熱可塑性ペレット16は溶融し、溶融熱可塑性材料24を形成する。溶融熱可塑性材料は典型的には、約130℃〜約410℃の温度で処理される。
Referring to the drawings in detail, FIG. 1 illustrates an exemplary low constant pressure injection molding apparatus 10 (eg, a
往復スクリュ22は、溶融熱可塑性材料24をノズル26に向かって押し、熱可塑性材料のショットを形成し、それは、金型28の金型キャビティ32に注入される。溶融熱可塑性材料24は、ゲート30を通って注入されてもよく、それは、溶融熱可塑性材料24の流動を、金型キャビティ32に誘導する。金型キャビティ32は、金型28の第1及び第2の金型部品25、27の間に形成され、第1及び第2の金型部品25、27は、プレス又は締付ユニット34によって、圧力下で一緒に保持される。プレス又は締付ユニット34は、溶融熱可塑性材料24が金型キャビティ32に注入されている間、第1及び第2の金型部品25、27を一緒に保持するために、成形プロセス中、約6.89MPa(1000psi)〜約41.4MPa(6000psi)の範囲で締付力を印加する。これらの締付力を支持するために、締付システム14は、金型フレーム及び金型ベースを含んでもよく、以下に更に考察されるように、金型フレーム及び金型ベースは、約165BHN超、好ましくは260BHN未満の表面硬度を有する材料から形成されるが、材料が容易に機械加工できる限り、260を超える表面硬度BHN値を有する材料が使用され得る。
The
いったん溶融熱可塑性材料24のショットが金型キャビティ32に注入されると、往復スクリュ22は、前方への移動を停止する。溶融熱可塑性材料24は、金型キャビティ32の形をとり、溶融熱可塑性材料24は、熱可塑性材料24が固化するまで金型28内で冷却される。いったん熱可塑性材料24が固化すると、プレス34は、第1及び第2の金型部品25、27を解放し、第1及び第2の金型部品25、27は、互いから分離し、最終部品は、金型28から取り外され得る。金型28は、全体の生産速度を増加させるために、複数の金型キャビティ32を含んでもよい。それらの複数の金型キャビティのうちのキャビティの形状は、同一であっても、同様であっても、相互に異なってもよい(後者は、一群の金型キャビティである)。
Once a shot of molten
コントローラ50が、センサ52及びスクリュ制御36に通信的に接続される。コントローラ50は、マイクロプロセッサ、メモリ、及び1つ以上の通信リンクを含んでもよい。コントローラ50は、有線接続54、56のそれぞれを介して、センサ52及びスクリュ制御36に接続されてもよい。他の実施形態では、コントローラ50は、無線接続、機械接続、油圧接続、空気式接続、又はコントローラ50がセンサ52及びスクリュ制御36の両方と連通することを可能にする、当業者に既知の任意の他の種類の通信接続を介して、センサ52及びスクリュ制御56に接続されてもよい。
A
図1の実施形態では、センサ52は、ノズル26中の溶融熱可塑性材料24の溶融圧力を(直接又は間接的に)測定する、圧力センサである。センサ52は、コントローラ50に伝達される電気信号を生成する。次いで、コントローラ50は、ノズル26中の溶融熱可塑性材料24の実質的に一定の溶融圧力を維持する速度で、スクリュ22を前進させるように、スクリュ制御36に命令する。センサ52が溶融圧力を直接測定し得る一方で、センサ52は、溶融圧力を示す温度、粘度、流速等、溶融熱可塑性材料24の他の特性を測定し得る。同様に、センサ52は、ノズル26中に直接位置する必要はなく、むしろ、センサ52は、ノズル26と流体接続されている射出システム12又は金型28内の任意の位置にあってもよい。センサ52がノズル26内に位置しない場合、ノズル26中の溶融圧力を計算するために、適切な補正要素が測定された特性に適用され得る。更に他の実施形態では、センサ52は、ノズルと流体接続される必要はない。むしろ、センサは、第1及び第2の金型部品25、27の間の金型分割線で、締付システム14によって生成される締付力を測定し得る。一態様において、コントローラは、センサからの入力に従って圧力を維持することができる。
In the embodiment of FIG. 1, the
稼働中の閉ループコントローラ50が図1に示されるが、他の圧力調整デバイスが閉ループコントローラ50の代わりに使用されてもよい。例えば、圧力調整バルブ(図示せず)又は圧力逃がしバルブ(図示せず)がコントローラ50に取って代わり、溶融熱可塑性材料24の溶融圧力を調整してもよい。より具体的には、圧力調整バルブ及び圧力逃がしバルブは、金型28の過剰加圧を防止することができる。金型28の過剰加圧を防止するための別の代替機構は、過剰加圧状態が検出されたときに警告を作動させることである。
A
ここで図2を参照すると、例示の成形部品100が示される。成形部品100は、薄壁部品である。成形部品は概して、流路の厚さTによって割られる流路の長さLが、100(つまり、L/T>100)を超える時、薄壁であると考慮される。いくつかの射出成形生産業において、薄壁部品は、L/T>200又はL/T>250を有する部品として定義されている。流路の長さLは、ゲート102から流路端部104まで測定される。薄壁部品は特に、消費者製品生産業において普及している。
Referring now to FIG. 2, an exemplary molded
成形部品は概して、流路の厚さTによって割られる流路の長さLが、100(つまり、L/T>100)を超える時、薄壁であると考慮される。より複雑な形状を有する金型キャビティの場合、ゲート102から金型キャビティ32の末端までの金型キャビティ32の長さにわたってT寸法を統合し、かつゲート102から金型キャビティ32の末端までの流動の最も長い流動長を決定することによって、L/T比を計算することができる。その後、最も長い流動長を平均部品厚で割算することによって、L/T比を決定することができる。
Molded parts are generally considered to be thin-walled when the flow path length L divided by the flow path thickness T exceeds 100 (ie, L / T> 100). For mold cavities with more complex shapes, integrate the T dimension over the length of the
薄壁部品は、射出成形においてある特定の障害を示す。例えば、流路の薄さは、材料が流路端部104に到達する前に、溶融熱可塑性材料を冷却する傾向がある。これが生じるとき、熱可塑性材料は凍結し、もはや流動せず、不完全な部品をもたらす。この問題を克服するために、従来の射出成形機は、冷却および凍結する機会がある前に、溶融熱可塑性材料が急速に金型キャビティを充填するように、典型的には103.4MPa(15,000psi)を超える、非常に高い圧力で、溶融熱可塑性材料を注入する。これは、熱可塑性材料の製造業者らが、非常に高い圧力で注入することを教示する一理由である。従来の射出成形機が高圧力で注入する別の理由は、剪断力の増加であり、それは、上述のように、流動特性を増加させる。これらの非常に高い射出圧力は、金型28及び供給システムを形成するために、非常に硬い材料の使用を必要とする。
Thin wall parts present certain obstacles in injection molding. For example, the thinness of the flow path tends to cool the molten thermoplastic material before the material reaches the flow path end 104. When this occurs, the thermoplastic material freezes and no longer flows, resulting in incomplete parts. In order to overcome this problem, conventional injection molding machines typically have a 103.4 MPa (15%) so that the molten thermoplastic material rapidly fills the mold cavity before the opportunity to cool and freeze. The molten thermoplastic material is injected at a very high pressure in excess of 1,000 psi). This is one reason for teaching thermoplastic material manufacturers to inject at very high pressures. Another reason that conventional injection molding machines inject at high pressure is an increase in shear force, which increases the flow characteristics, as described above. These very high injection pressures require the use of very hard materials to form the
従来の射出成形機は、金型を作製するために、工具鋼又は他の硬い材料を使用する。これらの工具鋼は、非常に高い射出圧力に耐えるのに十分に頑丈である一方で、工具鋼は、比較的不十分な熱導体である。結果として、非常に複雑な冷却システムは、金型キャビティが充填される時の冷却時間を強化するために、金型に機械加工され、それは、サイクル時間を低減し、金型の生産性を増加させる。しかしながら、これらの非常に複雑な冷却システムは、金型作成プロセスに多大な時間及び費用を追加する。 Conventional injection molding machines use tool steel or other hard materials to make the mold. While these tool steels are robust enough to withstand very high injection pressures, tool steels are relatively poor thermal conductors. As a result, a very complex cooling system is machined into the mold to enhance the cooling time when the mold cavity is filled, which reduces cycle time and increases mold productivity Let However, these very complex cooling systems add significant time and expense to the mold making process.
本発明者らは、ずり減粘熱可塑材(最小限にずり減粘の熱可塑材でさえ)が、任意の有意な悪影響なく、低く実質的に一定の圧力で、金型28に注入され得ることを発見した。様々な熱可塑性材料は、本開示の低い実質的に一定の圧力での射出成形方法において使用され得る。一実施形態において、溶融熱可塑性材料は、約230℃の温度及び2.16kgの重量で実行されるASTM D1238によって測定される約0.1g/10分〜約500g/10分のメルトフローインデックスによって定義される粘度を有する。例えば、ポリプロピレンの場合、メルトフローインデックスは、約0.5g/10分〜約200g/10分の範囲内であり得る。他の好適なメルトフローインデックスには、約1g/10分〜約400g/10分、約10g/10分〜約300g/10分、約20〜約200g/10分、約30g/10分〜約100g/10分、約50g/10分〜約75g/10分、約0.1g/10分〜約1g/10分、又は約1g/10分〜約25g/10分が含まれる。材料のMFIは、成形物品の適用及び使用に基づいて選択される。例えば、0.1g/10分〜約5g/10分のMFIを有する熱可塑性材料は、射出延伸吹込成形(ISBM)用途のプリフォームとしての使用に好適であり得る。5g/10分〜約50g/10分のMFIを有する熱可塑性材料は、包装物品のキャップ及び閉鎖としての使用に好適であり得る。50g/10分〜約150g/10分のMFIを有する熱可塑性材料は、バケツ又は桶の製造における使用に好適であり得る。150g/10分〜約500g/10分のMFIを有する熱可塑性材料は、薄板等の非常に高いL/T比を有する成形物品に好適であり得る。そのような熱可塑性材料の製造業者は、概して、これらの材料が、41.4MPa(6000psi)を上回る溶融圧力、かつ多くの場合、41.4MPa(6000psi)をはるかに上回る溶融圧力を用いて射出成形されるべきであると教示する。そのような熱可塑性材料の射出成形に関する従来の教示とは逆に、本開示の低い一定の射出成形方法の実施形態は、そのような熱可塑性材料を用いて質の高い射出成形部品を形成し、かつ41.4MPa(6000psi)を下回る溶融圧力、及び場合によっては41.4MPa(6000psi)をはるかに下回る溶融圧力で処理することを有利に可能にする。
We have found that shear-thinning thermoplastics (even minimally shear-thinning thermoplastics) are injected into the
熱可塑性材料は、例えば、ポリオレフィンであってもよい。例示のポリオレフィンには、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、及びポリブテン−1が挙げられるが、これらに限定されない。前述のポリオレフィンのうちのいずれかは、サトウキビ又は他の農産物等のバイオベースの原料から調達されて、バイオポリプロピレン又はバイオポリエチレンを生成することができる。ポリオレフィンは、溶融状態にあるときに、ずり減粘を有利に示す。ずり減粘は、流体が圧縮応力下に置かれたときの粘度の減少である。ずり減粘は、熱可塑性材料の流動が射出成形プロセスを通して維持されることを有利に可能にし得る。理論によって束縛されることを意図するものではないが、材料が低圧で処理されるときに、熱可塑性材料、具体的には、ポリオレフィンのずり減粘特性が、材料粘度のより少ない変動をもたらすと考えられる。結果として、本開示の方法の実施形態は、例えば、着色剤及び他の添加剤、並びに処理条件に起因する熱可塑性材料の変動に対して感受性がより低い場合がある。熱可塑性材料特性のバッチ間の変動に対するこの低下した感受性は、本開示の方法の実施形態を用いて、脱工業化及び使用済みのリサイクルされたプラスチックが処理されることも有利に可能にし得る。脱工業化及び使用済みのリサイクルされたプラスチックは、消費財としてライフサイクルを終え、かつさもなければ固体の廃棄物として廃棄された最終産物に由来する。そのようなリサイクルされたプラスチック、及び熱可塑性材料のブレンドは、本質的に、それらの材料特性の著しいバッチ間変動を有する。 The thermoplastic material may be, for example, a polyolefin. Exemplary polyolefins include, but are not limited to, polypropylene, polyethylene, polymethylpentene, and polybutene-1. Any of the aforementioned polyolefins can be procured from bio-based raw materials such as sugar cane or other agricultural products to produce biopolypropylene or biopolyethylene. Polyolefins advantageously exhibit shear thinning when in the molten state. Shear thinning is the decrease in viscosity when a fluid is placed under compressive stress. Shear thinning can advantageously allow the flow of thermoplastic material to be maintained throughout the injection molding process. While not intending to be bound by theory, it is believed that the shear thinning properties of thermoplastic materials, specifically polyolefins, result in less variation in material viscosity when the material is processed at low pressure. Conceivable. As a result, embodiments of the disclosed method may be less sensitive to variations in thermoplastic materials due to, for example, colorants and other additives and processing conditions. This reduced sensitivity to batch-to-batch variations in thermoplastic material properties may also advantageously allow deindustrialized and used recycled plastics to be processed using the method embodiments of the present disclosure. De-industrialized and used recycled plastic comes from end products that have finished their life cycle as consumer goods and are otherwise discarded as solid waste. Such recycled plastics and blends of thermoplastic materials inherently have significant batch-to-batch variations in their material properties.
熱可塑性材料は、例えば、ポリエステルであってもよい。例示のポリエステルには、ポリエチレンテレフタレート(PET)が含まれるが、これらに限定されない。PET高分子は、サトウキビ又は他の農産物等のバイオベースの原料から取り出されて、バイオPET高分子を部分的又は完全に生成することができる。他の好適な熱可塑性材料には、ポリプロピレン及びポリエチレンのコポリマー、並びに熱可塑性エラストマー、ポリエステル、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリ(アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン)、ポリ(乳酸)、バイオベースのポリエステルの高分子及びコポリマー、例えば、ポリ(エチレンフラノエート)ポリヒドロキシアルカノエート、ポリ(エチレンフラノエート)(PETの代替物又はドロップイン代替物と見なされる)、ポリヒドロキシアルカノエート、ポリアミド、ポリアセタール、エチレンαオレフィンゴム、及びスチレンブタジエンスチレンブロックコポリマーが含まれる。熱可塑性材料は、複数の高分子及び非高分子材料のブレンドでもあり得る。熱可塑性材料は、例えば、多様性又は二様性ブレンドをもたらす高分子、中間分子、及び低分子高分子のブレンドであり得る。多様性材料は、優れた流動特性を有し、十分な化学的/物理的特性も更に有する熱可塑性材料をもたらす方法で設計されてもよい。熱可塑性材料は、1つ以上の小分子添加剤との高分子のブレンドでもあり得る。小分子は、例えば、熱可塑性材料に添加されるときに、高分子材料の流動性を向上させるシロキサン又は他の潤滑分子であり得る。 The thermoplastic material may be, for example, polyester. Exemplary polyesters include, but are not limited to, polyethylene terephthalate (PET). PET polymers can be extracted from bio-based raw materials such as sugar cane or other agricultural products to partially or fully produce bio-PET polymers. Other suitable thermoplastic materials include polypropylene and polyethylene copolymers, and polymers and copolymers of thermoplastic elastomers, polyesters, polystyrenes, polycarbonates, poly (acrylonitrile-butadiene-styrene), poly (lactic acid), biobased polyesters. For example, poly (ethylene furanoate) polyhydroxyalkanoate, poly (ethylene furanoate) (considered as a substitute or drop-in substitute for PET), polyhydroxyalkanoate, polyamide, polyacetal, ethylene alpha olefin rubber, and Styrene butadiene styrene block copolymers are included. The thermoplastic material can also be a blend of a plurality of polymeric and non-polymeric materials. The thermoplastic material can be, for example, a blend of macromolecules, intermediate molecules, and low molecular weight polymers resulting in a diversity or bimodal blend. The versatile material may be designed in a way that results in a thermoplastic material that has excellent flow properties and also has sufficient chemical / physical properties. The thermoplastic material can also be a polymer blend with one or more small molecule additives. The small molecule can be, for example, a siloxane or other lubricating molecule that improves the fluidity of the polymeric material when added to a thermoplastic material.
他の添加剤には、無機充填剤、例えば、炭酸カルシウム、硫酸カルシウム、タルク、粘土(例えば、ナノ粘土)、水酸化アルミニウム、CaSiO3、繊維又はミクロスフェアに形成されるガラス、結晶シリカ(例えば、石英、ノバサイト、クリスタロバイト)、水酸化マグネシウム、雲母、硫酸ナトリウム、リトポン、炭酸マグネシウム、酸化鉄、或いは、有機充填剤、例えば、籾殻、わら、麻繊維、木粉、又は木材、竹材、若しくはサトウキビ繊維が含まれ得る。 Other additives include inorganic fillers such as calcium carbonate, calcium sulfate, talc, clay (e.g. nanoclay), aluminum hydroxide, CaSiO3, glass formed on fibers or microspheres, crystalline silica (e.g. (Quartz, novasite, crystallobite), magnesium hydroxide, mica, sodium sulfate, lithopone, magnesium carbonate, iron oxide, or organic fillers such as rice husk, straw, hemp fiber, wood flour, or wood, bamboo, or sugar cane Fibers can be included.
他の好適な熱可塑性材料には、再生可能な高分子、例えば、有機体から直接生成される高分子、例えば、ポリヒドロキシアルカノエート(例えば、ポリ(β−ヒドロキシアルカノエート)、ポリ(3−ヒドロキシブチラート−co−3−ヒドロキシバレラ−ト、NODAX(登録商標))、及びバクテリアセルロース;植物、農業林地、及びバイオマスから抽出される高分子、例えば、ポリサッカライド及びその誘導体(例えば、ガム、セルロース、セルロースエステル、キチン、キトサン、デンプン、化学修飾デンプン、酢酸セルロース粒子)、タンパク質(例えば、ゼイン、乳清、グルテン、コラーゲン)、脂質、リグニン、及び天然ゴム;デンプン又は化学修飾デンプンから生成される熱可塑性デンプン;並びに、自然供給されるモノマー及び誘導体に由来する現在の高分子、例えば、バイオポリエチレン、バイオポリプロピレン、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリ乳酸、NYLON 11、アルキド樹脂、コハク酸系ポリエステル、及びバイオポリエチレンテレフタレートの非限定的な例等が含まれる。 Other suitable thermoplastic materials include renewable polymers, such as those produced directly from an organism, such as polyhydroxyalkanoates (eg, poly (β-hydroxyalkanoate), poly (3- Hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate, NODAX®) and bacterial cellulose; macromolecules extracted from plants, agricultural forests, and biomass, such as polysaccharides and derivatives thereof (eg, gums, Cellulose, cellulose ester, chitin, chitosan, starch, chemically modified starch, cellulose acetate particles), proteins (eg, zein, whey, gluten, collagen), lipids, lignin, and natural rubber; produced from starch or chemically modified starch Thermoplastic starch; and naturally supplied mono -Non-limiting examples of current polymers derived from and derivatives such as biopolyethylene, biopolypropylene, polytrimethylene terephthalate, polylactic acid, NYLON 11, alkyd resin, succinic polyester, and biopolyethylene terephthalate. included.
好適な熱可塑性材料は、前述の例等の異なる熱可塑性材料の1つのブレンド又は複数のブレンドを含み得る。異なる材料は、未使用のバイオ由来若しくは石油由来の材料、又はバイオ由来若しくは石油由来の材料のリサイクルされた材料に由来する材料の組み合わせでもあり得る。ブレンド中の熱可塑性材料のうちの1つ以上は、生分解性であり得る。非ブレンド熱可塑性材料の場合、その材料は、生分解性であり得る。 Suitable thermoplastic materials may include one blend or multiple blends of different thermoplastic materials such as those described above. The different materials can also be a combination of materials derived from unused bio-derived or petroleum-derived materials, or recycled materials of bio-derived or petroleum-derived materials. One or more of the thermoplastic materials in the blend can be biodegradable. In the case of a non-blended thermoplastic material, the material can be biodegradable.
低い実質的に一定の圧力で成形される部品は、従来の高圧で成形される同一の部品と比較して、いくつかの優れた特性を呈する。この発見は、より高い射出圧力がより良好であることを教示する生産業内の従来の知恵と完全に矛盾している。理論によって束縛されることなく、低く実質的に一定の圧力で、溶融熱可塑性材料を金型28に注入することは、金型を通ってゲートから金型キャビティの最も遠い部分に前進する、熱可塑性材料の連続的流動フロントを作成すると考えられている。低レベルの剪断力を維持することによって、熱可塑性材料は、そうでなければ従来の高圧力射出成形システムで可能と考えられるものよりもはるかに低い温度及び圧力で、液体及び流動可能なままである。
Parts molded at low, substantially constant pressure exhibit several superior properties compared to identical parts molded at conventional high pressures. This finding is completely inconsistent with conventional wisdom within the production industry that teaches that higher injection pressures are better. Without being bound by theory, injecting molten thermoplastic material into the
ここで図3を参照すると、従来の高圧力射出成形プロセスに対する典型的な圧力−時間曲線が、破線200によって示される。対照的に、開示された低一定圧力射出成形機に対する圧力−時間曲線が、実線210によって示される。
Referring now to FIG. 3, a typical pressure-time curve for a conventional high pressure injection molding process is shown by dashed
従来の場合、溶融圧力は、103.4MPa(15,000psi)をはるかに上回るまで急速に増加し、次いで、第1の期間220にわたって、103.4MPa(15,000psi)を上回る比較的高い圧力で保持される。第1の期間220は、溶融プラスチック材料が金型キャビティに流動する、充填時間である。その後、溶融圧力は減少し、第2の期間230にわたって、68.9MPa(10,000psi)のより低いが、それでもなお比較的高い圧力で保持される。第2の期間230は、金型キャビティ中の全間隙が背面充填されることを確実にするために、溶融圧力が維持される、パッキング時間である。従来の高圧射出成形システム内の金型キャビティは、流路の末端からゲートに向かって戻って充填される。結果として、種々の固化段階におけるプラスチックは、互いの上でパッキングされ、上述のように、最終製品における不整合を引き起こし得る。更に、種々の固化段階におけるプラスチックの従来のパッキングは、例えば、残留成形応力、シンク、ひけ、非最適の任意の特性等、いくつかの非理想的な材料特性をもたらす。
In the conventional case, the melt pressure increases rapidly to well above 103.4 MPa (15,000 psi), and then at a relatively high pressure above 103.4 MPa (15,000 psi) over the
一方で、一定の低圧力射出成形システムは、単一の期間240にわたって、実質的に一定の低圧力で、溶融プラスチック材料を金型キャビティに注入する。射出圧力は、典型的には、41.4MPa(6,000psi)未満である。実質的に一定の低圧力を使用することによって、溶融熱可塑性材料は、流路を通ってゲートから流路の端部に向かって前進する、連続的メルトフロントを維持する。したがって、塑性材料は、流路に沿った任意の点で比較的均一のままであり、それは、より均一で一貫性のある最終製品をもたらす。比較的均一の塑性材料で金型を充填することによって、最終成形部品は、従来の成形部品よりも良好な機械及び光学特性を有する結晶構造を形成する。更に、低一定圧力で成形される部品のスキン層は、従来の成形部品のスキン層とは異なる特性を示す。結果として、低一定圧力で成形される部品のスキン層は、従来の成形部品のスキン層よりも良好な光学特性を有することができる。
On the other hand, a constant low pressure injection molding system injects molten plastic material into the mold cavity at a substantially constant low pressure over a
ノズル内で実質的に一定かつ低い(例えば、41.4MPa(6000psi)未満の)溶融圧力を維持することによって、より機械加工可能な材料を用いて、金型28及び/又は供給システムを形成することができる。例えば、図1に示される金型28は、100%を超えるミリング機械加工指数、100%を超えるドリリング機械加工指数、100%を超えるワイヤEDM機械加工指数、200%を超えるグラファイトシンカーEDM機械加工指数、又は150%を超える銅シンカーEDM機械加工指数を有する材料から形成されてもよい。機械加工指数は、種々の材料のミリング、ドリリング、ワイヤEDM、及びシンカーEDM試験に基づく。機械加工指数を決定するための試験方法は、以下により詳細に説明される。材料の試料に対する機械加工指数の実施例は、以下の表1にまとめられている。
金型28を形成するために、容易に機械加工可能な材料を使用することは、大幅に低減された製造時間、したがって製造費用の低下をもたらす。更に、これらの機械加工可能な材料は概して、工具鋼よりも良好な熱伝導率を有し、それは、冷却効率を上げ、複雑な冷却システムの必要性を低減する。
The use of easily machinable materials to form the
これらの容易に機械加工可能な材料の金型28を形成するとき、良好な熱伝導特性を有する、容易に機械加工可能な材料を選択することも有利である。51.9W/(m*K)(30BTU/HR FT °F)を超える熱伝導率を有する材料が特に有利である。例えば、良好な熱伝導率を有する、容易に機械加工可能な材料としては、Alcoa QC−10、Alcan Duramold 500、及びHokotol(Alerisから入手可能)が挙げられるがこれらに限定されない。良好な熱伝導率を有する材料は、熱可塑性材料からの熱を、金型の外へとより効率的に伝達する。結果として、より単純な冷却システムが使用され得る。更に、非自然平衡供給システムもまた、本明細書に記載される一定の低圧力射出成形機で使用することが可能である。
When forming these readily
マルチキャビティ金型28の一例は、図4A及び4Bに図示される。マルチキャビティ金型は概して、溶融熱可塑性材料をノズル26から個々の金型キャビティ32に誘導する、供給マニホールド60を含む。供給マニホールド60は、湯口62を含み、それは、溶融熱可塑性材料を1つ以上のランナ又は供給チャネル64に誘導する。各ランナは、複数の金型キャビティ32に供給してもよい。多くの大容量射出成形機では、ランナは、溶融熱可塑性材料の流動性を強化するために加熱される。溶融熱可塑性材料の粘度が、高圧力(例えば、68.9MPa(10,000psi)を超える)での剪断力及び圧力変動に対して非常に敏感であるため、従来の供給マニホールドは、均一の粘度を維持するために、自然平衡である。自然平衡供給マニホールドは、溶融熱可塑性材料が湯口から任意の金型キャビティまで等距離移動するマニホールドである。更に、各流路の断面形状は同一であり、曲がり角の数及び種類は同一であり、各流路の温度は同一である。自然平衡供給マニホールドは、各成型部品が同一の処理条件及び材料特性を有するように、金型キャビティが同時に充填されることを可能にする。
An example of a
図5は、自然平衡供給マニホールド60の一実施例を示す。自然平衡供給マニホールド60は、湯口62から第1の接合部72まで、第1の流路70を含み、ここで、第1の流路70は、第2及び第3の流路74、76に分かれ、第2の流路は、第2のゲート78aで終端し、第3の流路76は、第3のゲート78bで終端し、各ゲートは、個々の金型キャビティ(図5には示されない)を供給する。湯口62から第2のゲート78aあるいは第3のゲート78bのいずれかに流動する溶融熱可塑性材料は、同一距離移動し、同一温度を経験し、同一の断面流動面積に供される。結果として、各金型キャビティは、同一の物理的特性を有する溶融熱可塑性材料で、同時に充填される。
FIG. 5 illustrates one embodiment of a natural
図6A及び6Bは、自然平衡マニホールド60を概略的に示す。図6A及び6Bの自然平衡マニホールド60は、多層マニホールドである。各流路74、76は、流路に沿った同一の位置で同一の特性を有する。例えば、接合部72の後、各流路は、同一距離で狭くなる。更に、各流路は、同一数の金型キャビティ32を供給する。自然平衡フローマニホールド60は、同一の塑性流動特性を維持するために、かつ均一の部品を確実にするために、高圧力射出成形機に不可欠である。
6A and 6B schematically illustrate a
図7A及び7Bは、別の自然平衡マニホールド60を示す。図7A及び7Bの自然平衡マニホールド60は、単層マニホールドである。
7A and 7B show another
対照的に、図8、9A、及び9Bは、非自然平衡マニホールドを示し、図8は、人工平衡マニホールドを示し、図9A及び9Bは、非平衡マニホールドを示す。 In contrast, FIGS. 8, 9A, and 9B show a non-natural equilibrium manifold, FIG. 8 shows an artificial equilibrium manifold, and FIGS. 9A and 9B show a non-equilibrium manifold.
本明細書に開示される低一定圧力射出成形機は、低一定圧力で射出される熱可塑性材料が、流路特性の差による圧力差又は剪断力差にそれほど敏感ではないため、人工平衡マニホールド、及び非平衡マニホールドでさえ、使用されることを可能にする。換言すれば、低い一定の圧力で射出された熱可塑性材料は、流路の長さ、断面積、又は温度の差にかかわらず、より均一でバランスのとれた材料及び流動特性を保持する。これは、自然非平衡設計において、実質的によりバランスのとれた流動を提供し、流動が非常にインバランスであり得る場合、あらゆる部品キャビティにわたってより均一の材料特性を提供する。 The low constant pressure injection molding machine disclosed herein is an artificial balance manifold because the thermoplastic material injected at a low constant pressure is not very sensitive to pressure differences or shear force differences due to differences in flow path characteristics, And even non-equilibrium manifolds can be used. In other words, a thermoplastic material injected at a low constant pressure retains more uniform and balanced material and flow characteristics regardless of differences in channel length, cross-sectional area, or temperature. This provides a substantially more balanced flow in a natural non-equilibrium design and provides more uniform material properties across all part cavities if the flow can be very imbalanced.
図8の人工平衡マニホールド160は、湯口62、第1の流路174、及び第2の流路176を含む。第1の流路174は、第1のゲート178aで終端し、第2の流路176は、第2のゲート178bで終端する。本実施形態では、第1の流路174は、第2の流路176よりも短い。人工平衡マニホールド160は、マニホールド160を通って流動する材料が、自然平衡マニホールドと同様に、各キャビティに平衡流動を提供するように、流路のいくつかの他のパラメータ(例えば、断面積又は温度)を変化させる。換言すれば、第1の流路174を通って流動する熱可塑性材料は、第2の流路176を通って流動する熱可塑性材料にほぼ等しい溶融圧力を有する。人工平衡又は非平衡供給マニホールドが、異なる長さの流路を含むことができるため、人工平衡又は非平衡供給マニホールドは、空間をはるかに効率的に利用することができる。更に、供給チャネル及び対応するヒータバンドチャネルは、より効率的に機械加工され得る。更に、自然平衡供給マニホールドは、異なる偶数の金型キャビティ(例えば、2、4、8、16、32等)を有する金型に限定される。人工平衡又は非平衡供給マニホールドは、任意の数の金型キャビティに溶融熱可塑性材料を送達するように設計され得る。
The
人工平衡供給マニホールド160はまた、ホットランナ中の溶融熱可塑性材料への伝熱を強化し、したがって熱可塑性材料の流動を強化するために、高い熱伝導率を有する材料から構築されてもよい。より具体的には、人工平衡供給マニホールド160は、材料費を更に低減し、全システム内の伝熱を強化するために、金型と同一の材料から構築されてもよい。
The artificial
図9A及び9Bは、非平衡マニホールド260を示す。非平衡マニホールド260は、奇数の金型キャビティ232、並びに/又は異なる断面形状、異なる数及び種類の曲がり角、及び/若しくは異なる温度を有する、流路を含んでもよい。更に、非平衡マニホールド260は、異なる寸法、及び/若しくは図9Bに図示される異なる形状を有する金型キャビティ、又は金型の共通の面に相互に異なって配向される金型キャビティを供給し得る。更に、非平衡マニホールド260は、8個以上の金型キャビティを有する射出金型及び/又は誘導型取出しシステムを含む射出金型を供給し得る。
9A and 9B show a
更に他の実施形態では、スタック金型構成等の別々の層に金型キャビティを有する金型において、人工平衡マニホールド及び/又は非平衡マニホールドが使用されてもよく、マニホールドは、スタック金型の1、2、又は3つの層で、金型キャビティを供給する。金型キャビティは、2つ以上のゲートから溶融プラスチックを受容してもよく、又は各個々のゲートが、個々の金型キャビティに連続的に2つ以上の材料を送達し得る。更に、2つ以上のマニホールドが、第1の材料が導入される第1の位置から、第2の材料が導入される第2の位置に、金型内で回転するキャビティ位置を供給してもよい。 In still other embodiments, an artificial balanced manifold and / or a non-equilibrium manifold may be used in a mold having mold cavities in separate layers, such as a stack mold configuration, where the manifold is one of the stack molds. Supply mold cavities in two or three layers. The mold cavity may receive molten plastic from more than one gate, or each individual gate may deliver more than one material in succession to an individual mold cavity. Further, two or more manifolds may provide a cavity position that rotates within the mold from a first position where the first material is introduced to a second position where the second material is introduced. Good.
更に、上述の非自然平衡供給システムは、供給チャネルのうちの1つと熱連通している1つ以上の加熱素子を含んでもよい。加熱素子は、金型の大部分を形成する材料と実質的に同一の熱伝導率を有する材料、又は供給システムを形成する材料と実質的に同一の熱伝導率を有する材料中に含有されてもよい。 Furthermore, the non-natural equilibrium supply system described above may include one or more heating elements in thermal communication with one of the supply channels. The heating element is contained in a material having substantially the same thermal conductivity as the material forming the majority of the mold or a material having substantially the same thermal conductivity as the material forming the delivery system. Also good.
ドリリング及びミリング機械加工性指数試験方法
以下に記載される注意深く制御された試験方法で代表的な材料を試験することによって、上記の表1に列挙されるドリリング及びミリング機械加工性指数を決定した。
Drilling and Milling Machinability Index Test Method The drilling and milling machinability index listed in Table 1 above was determined by testing representative materials in the carefully controlled test method described below.
材料の一片を穿孔又は粉砕するために必要とされるスピンドル負荷を測定することによって、各材料に対する機械加工性指数を決定し、全ての他の機械条件(例えば、ストック供給速度、スピンドルrpm等)は、種々の材料間で一定に保持された。スピンドル負荷は、ドリリング又はミリングデバイスについては1400rpmで101.7Nm(75ft−lb)の最大スピンドルトルク負荷に対する測定されたスピンドル負荷の比率として報告される。1117鋼に対するスピンドル負荷と試験材料に対するスピンドル負荷との間の割合として、指数百分率を計算した。 Determine the machinability index for each material by measuring the spindle load required to drill or grind a piece of material, and all other machine conditions (eg, stock feed rate, spindle rpm, etc.) Was held constant between the various materials. Spindle load is reported as the ratio of the measured spindle load to the maximum spindle torque load of 101.7 Nm (75 ft-lb) at 1400 rpm for a drilling or milling device. The index percentage was calculated as the ratio between the spindle load for 1117 steel and the spindle load for the test material.
試験ミリング又はドリリング機械は、Hass VF−3マシニングセンタであった。 The test milling or drilling machine was a Hass VF-3 machining center.
全試験に対して、「フラッドブラスト」冷却を使用した。冷却剤は、Koolrite 2290であった。 “Flood blast” cooling was used for all tests. The coolant was Koolrite 2290.
EDM機械加工性指数試験方法
以下に記載される注意深く制御された試験方法で代表的な材料を試験することによって、上記の表1に列挙されるグラファイト及び銅シンカーEDM機械加工性指数を決定した。
EDM Machinability Index Test Method The graphite and copper sinker EDM machinability index listed in Table 1 above was determined by testing representative materials in the carefully controlled test method described below.
範囲(詳細は以下)を種々の試験金属に焼き付ける時間を測定することによって、種々の材料に対するEDM機械加工性指数を決定した。1117鋼に焼き付ける時間の、同一範囲を他の試験材料に焼き付けるために必要とされる時間に対する割合として、機械加工性指数百分率を計算した。 The EDM machinability index for various materials was determined by measuring the time to bake ranges (details below) on various test metals. The machinability index percentage was calculated as the ratio of the time to bake 1117 steel to the time required to bake the same range to other test materials.
開示された低一定圧力射出成形機は、容易に機械加工可能な材料から構築される金型を有利に利用する。結果として、開示された低一定圧力射出成形機は、製造がより安価でより速い。加えて、開示された低一定圧力射出成形機は、より広いプラテン幅、タイバーの間隔の増加、タイバーの除去、より速い運動を促進するためのより軽量の構造物、及び非自然平衡供給システム等、より可撓性の支持構造及びより適応性のある送達構造を利用することが可能である。したがって、開示された低一定圧力射出成形機は、送達の必要性に合うように改善され得、特定の成形部品に対してより容易にカスタマイズ可能である。 The disclosed low constant pressure injection molding machine advantageously utilizes a mold constructed from an easily machineable material. As a result, the disclosed low constant pressure injection molding machine is cheaper and faster to manufacture. In addition, the disclosed low constant pressure injection molding machine has a wider platen width, increased tie bar spacing, tie bar removal, lighter weight structure to facilitate faster movement, and non-natural balance feeding system, etc. It is possible to utilize a more flexible support structure and a more flexible delivery structure. Thus, the disclosed low constant pressure injection molding machine can be improved to meet delivery needs and can be more easily customized for specific molded parts.
特別の定めのない限り、「実質的に」、「約」、及び「およそ」という用語は、本明細書において、任意の定量的な比較、値、測定、又は他の表現に帰属される場合がある、不確定の固有度を表すために利用され得ることに注意されたい。これらの用語はまた、本明細書では、定量的表現が、問題となる対象物の基本的機能に変化をもたらすことなく、記載の基準から変動する程度を表すためにも利用される。本明細書に特別の定めのない限り、「実質的に」、「約」、及び「およそ」という用語は、定量的な比較、値、測定、又は他の表現が、規定された基準の20%内に入り得ることを意味する。 Unless otherwise specified, the terms “substantially”, “about”, and “approximately” are used herein to belong to any quantitative comparison, value, measurement, or other expression. Note that can be used to represent uncertain specificity. These terms are also used herein to describe the extent to which the quantitative expression varies from the stated criteria without causing a change in the basic function of the object in question. Unless otherwise specified herein, the terms “substantially”, “about”, and “approximately” refer to quantitative comparisons, values, measurements, or other expressions that are 20 It means that it can enter within%.
本明細書で例示及び記載された製品の様々な実施形態が、低一定圧力射出成形プロセスによって作製されてもよいことはここで明らかである。本明細書では、消費財を含む製品又は消費財製品自体を特に参照したが、本明細書で検討した低一定圧力射出成形方法が、消費財産業、外食産業、運送業、医療産業、玩具産業等で使用される製品と共に使用するために好適であり得ることは明らかである。更に、当業者であれば、本明細書に開示される教示を、金型内装飾、インサート成形、金型内アセンブリ等と組み合わせた、スタック金型、回転及びコアバック金型を含む複数の材料金型の構成において使用することができることを理解する。更に、当業者であれば、本明細書に開示される教示を、金型内装飾、インサート成形、金型内アセンブリ等と組み合わせた、スタック金型、回転及びコアバック金型を含む複数の材料金型の構成において使用することができることを理解する。 It will now be apparent that various embodiments of the products illustrated and described herein may be made by a low constant pressure injection molding process. In this specification, reference was made in particular to products containing consumer goods or the consumer goods products themselves. Obviously, it may be suitable for use with products used in, etc. Further, those skilled in the art will be able to combine the teachings disclosed herein with in-mold decorations, insert molding, in-mold assemblies, and the like, including multiple molds, including stack molds, rotating and core back molds. Understand that it can be used in mold construction. Further, those skilled in the art will be able to combine the teachings disclosed herein with in-mold decorations, insert molding, in-mold assemblies, and the like, including multiple molds, including stack molds, rotating and core back molds. Understand that it can be used in mold construction.
Sigmasoft及びMoldflow等の仮想モデリングプログラムを用いて、金型キャビティを充填するために必要とされる圧力、充填速度、及び冷却時間を予測することができる。これらのプログラムは、高分子の流量、圧力、又は流量及び圧力の組み合わせによって制御されるプロセスをモデリングすることができる。これらのプログラムは、ランナの設計、ゲート位置、及び金型設計において使用される。 Virtual modeling programs such as Sigmasoft and Moldflow can be used to predict the pressure, fill rate, and cooling time required to fill the mold cavity. These programs can model processes that are controlled by polymer flow, pressure, or a combination of flow and pressure. These programs are used in runner design, gate location, and mold design.
本発明の「発明を実施するための形態」で引用したすべての文献は、関連部分において本明細書に援用するが、いずれの文献の引用もそうした文献が本発明に対する先行技術であることを容認するものとして解釈されるべきではない。この文書における用語のいずれかの意味又は定義が、参照することにより組み込まれる文献における用語のいずれかの意味又は定義と矛盾する範囲については、本文書においてその用語に与えられた意味又は定義が適用されるものとする。 All references cited in “Modes for Carrying Out the Invention” of the present invention are hereby incorporated by reference in the relevant part, and any citation of any reference is accepted as prior art to the present invention. Should not be construed as doing. To the extent that any meaning or definition of a term in this document contradicts any meaning or definition of a term in a document incorporated by reference, the meaning or definition given to that term in this document applies. Shall be.
本明細書では特定の実施形態を図示し説明したが、請求内容の趣旨及び範囲から逸脱することなく様々な他の変更及び修正を行うことができることを理解されたい。更に、本明細書で請求内容の様々な態様を述べたが、そのような態様は組み合わせで利用されなくてもよい。したがって、添付の「特許請求の範囲」は、請求内容の範囲内のそのような全ての変更及び修正を含むものとする。 While particular embodiments have been illustrated and described herein, it should be understood that various other changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the claims. Moreover, although various aspects of the claimed subject matter have been described herein, such aspects may not be utilized in combination. Accordingly, the appended claims are intended to include all such changes and modifications as fall within the scope of the claims.
Claims (4)
前記複数の金型キャビティのうちの第1の金型キャビティで終端する第1の供給チャネルと、前記複数の金型キャビティのうちの第2の金型キャビティで終端する第2の供給チャネルと、を有するホットランナであって、前記第1の供給チャネルと前記第2の供給チャネルとが非平衡設計である、ホットランナと、
前記溶融プラスチックを、68.9MPa未満でありかつ30%未満変動するノズル圧力で、前記金型キャビティに射出する制御システムであって、前記供給システムが、少なくとも95%の金型バランスを維持して、すべての金型キャビティの部品重量の変動が5%未満となるようになっている、制御システムと、を備える、非平衡供給システム。 A non-equilibrium supply system for an injection mold of an injection molding apparatus, wherein the injection mold has a plurality of mold cavities, the plurality of mold cavities receive molten plastic, and the injection molding apparatus comprises:
A first supply channel that terminates in a first mold cavity of the plurality of mold cavities; a second supply channel that terminates in a second mold cavity of the plurality of mold cavities; A hot runner having the non-equilibrium design of the first supply channel and the second supply channel;
A control system for injecting the molten plastic into the mold cavity with a nozzle pressure that is less than 68.9 MPa and fluctuates less than 30%, the supply system maintaining a mold balance of at least 95% A non-equilibrium feeding system comprising: a control system, wherein the variation in part weight of all mold cavities is less than 5%.
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